[發(fā)明專利]一種欠驅(qū)動(dòng)無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811512474.9
• 申請(qǐng)日: 2018-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN109407671B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭周華;姜岳;王丹;劉陸;古楠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

本發(fā)明公開了一種欠驅(qū)動(dòng)無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，所述的結(jié)構(gòu)由位置計(jì)算單元、速度觀測器、模糊逼近器、距離控制器、航向控制器和動(dòng)力學(xué)控制器組成；所述的位置計(jì)算單元接收無人船狀態(tài)和目標(biāo)相對(duì)位置信息；速度觀測器接收無人船速度信息，距離控制器接收給定圍繞距離；動(dòng)力學(xué)控制器與受控欠驅(qū)動(dòng)無人船和模糊逼近器相連；所述模糊逼近器接收無人船狀態(tài)信息。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了無人船對(duì)時(shí)變速度目標(biāo)的包圍控制。該控制器能夠利用無人船狀態(tài)和目標(biāo)相對(duì)位置信息有效估計(jì)相對(duì)動(dòng)態(tài)信息，并基于反步法設(shè)計(jì)控制律?？刂破髦焕媒撬俣刃盘?hào)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)包圍控制，因此既適用于全驅(qū)動(dòng)無人船，也適用于欠驅(qū)動(dòng)無人船。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水面無人船控制領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)無人船的目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。這種控制方式在編隊(duì)護(hù)航、海上巡邏和目標(biāo)監(jiān)視等任務(wù)中能夠發(fā)揮重要的作用。

背景技術(shù)

水面無人船作為人類保護(hù)海洋和開發(fā)海洋的重要工具，憑借其無人化、小型化、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在軍事、民用和科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在多種無人船控制方案中，點(diǎn)鎮(zhèn)定、軌跡跟蹤、路徑跟蹤和目標(biāo)跟蹤四種控制方式得到了較為普遍的關(guān)注和研究。而目標(biāo)包圍作為一種重要控制方式，在無人船中運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中成果較少。無人船目標(biāo)包圍控制是驅(qū)動(dòng)無人船接近一個(gè)目標(biāo)船并以期望的距離圍繞該目標(biāo)做圓周運(yùn)動(dòng)。這種控制方式在編隊(duì)護(hù)航、海上巡邏和目標(biāo)監(jiān)視等任務(wù)中能夠發(fā)揮重要的作用。因此，設(shè)計(jì)一種無人船目標(biāo)包圍控制器是十分有必要的。

在目標(biāo)包圍控制器設(shè)計(jì)中，國內(nèi)外已經(jīng)取得一些研究結(jié)果，如中國專利CN107065877A公開了一種基于相對(duì)位置的分布式編隊(duì)球形包圍追蹤未知目標(biāo)的方法，該方法包括如下步驟：

a)由運(yùn)動(dòng)體到目標(biāo)和鄰居的相對(duì)位置計(jì)算它到目標(biāo)的距離，繞目標(biāo)的緯度角和經(jīng)度角以及與鄰居間的相對(duì)緯度角和經(jīng)度角；

b)在步驟a)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算球面跟蹤、緯向和經(jīng)向編隊(duì)誤差，設(shè)計(jì)目標(biāo)速率的一階估計(jì)律；

c)由目標(biāo)速率的一階估計(jì)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)體法向、經(jīng)向和緯向上的期望速度；

d)由實(shí)際與期望速度間的速度誤差及其導(dǎo)數(shù)，設(shè)計(jì)目標(biāo)速率的二階估計(jì)律；

e)由目標(biāo)速率的兩次估計(jì)和速度誤差，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)體法向、經(jīng)向和緯向控制力；

f)聯(lián)列求解運(yùn)動(dòng)體的控制力輸入。

該方法從控制器結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計(jì)方面，存在以下不足：

第一，現(xiàn)有目標(biāo)包圍控制器很多是針對(duì)靜止或緩慢移動(dòng)的目標(biāo)設(shè)計(jì)的，這類控制器不適用于包圍快速、時(shí)變速度的移動(dòng)目標(biāo)。

第二，現(xiàn)有目標(biāo)包圍控制器大多是基于全驅(qū)動(dòng)模型設(shè)計(jì)的，而實(shí)際大部分船舶模型為欠驅(qū)動(dòng)，而且控制器沒有考慮無人船運(yùn)動(dòng)過程中的橫漂運(yùn)動(dòng)，因此不適用于欠驅(qū)動(dòng)無人船運(yùn)動(dòng)控制。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種既適用于包圍快速、時(shí)變速度的移動(dòng)目標(biāo)，又適用于欠驅(qū)動(dòng)無人船運(yùn)動(dòng)控制的欠驅(qū)動(dòng)無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種欠驅(qū)動(dòng)無人船目標(biāo)包圍控制器結(jié)構(gòu)由位置計(jì)算單元、速度觀測器、模糊逼近器、距離控制器、航向控制器和動(dòng)力學(xué)控制器組成；所述的位置計(jì)算單元輸入端接收無人船狀態(tài)和目標(biāo)相對(duì)位置信息；位置計(jì)算單元輸出端分別與速度觀測器、距離控制器和航向控制器的輸入端相連；所述速度觀測器另一輸入端接收無人船速度信息，速度觀測器輸出端分別與距離控制器和航向控制器輸入端相連；所述距離控制器輸入端接收給定圍繞距離；距離控制器輸出端與航向控制器輸入端相連；所述航向控制器輸出端與動(dòng)力學(xué)控制器輸入端相連；所述動(dòng)力學(xué)控制器另一輸入端與模糊逼近器輸出端相連；動(dòng)力學(xué)控制器輸出端與受控欠驅(qū)動(dòng)無人船輸入端和模糊逼近器輸入端相連；所述模糊逼近器另一輸入端接收無人船狀態(tài)信息。

所述的目標(biāo)滿足下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：